- Prima parte: Cum se face o celulă -
- Partea a doua: O scindare în rândurile oamenilor de știință -
- Partea a patra: energia protonilor
- Partea a cincea: deci cum creezi o celulă? -
- Partea a șasea: Marea Unire -
Așadar, după anii ’60, oamenii de știință care încercau să înțeleagă originea vieții au căzut în trei grupuri. Unii dintre ei erau convinși că viața începe cu formarea de versiuni primitive ale celulelor biologice. Alții credeau că sistemul metabolic este primul pas cheie, în timp ce alții s-au concentrat pe importanța geneticii și a replicării. Acest ultim grup a început să-și dea seama cum ar putea arăta primul replicator, presupunând că a fost realizat din ARN.
Deja în anii 1960, oamenii de știință au avut motive să creadă că ARN-ul a fost sursa întregii vieți.
În special, ARN poate face ceva ce ADN-ul nu poate. Este o moleculă monocatenară, deci spre deosebire de ADN-ul rigid, dublu-catenar, se poate plia într-un număr de forme diferite.
Similar cu origami, ARN-ul pliabil era în general similar în comportament cu proteinele. Proteinele sunt, de asemenea, în mare parte lanțuri lungi - numai din aminoacizi, nu nucleotide - și le permite să creeze structuri complexe.
Aceasta este cheia celei mai uimitoare abilități a proteinelor. Unele dintre ele pot accelera sau „cataliza” reacțiile chimice. Astfel de proteine sunt cunoscute sub denumirea de enzime.
Multe enzime pot fi găsite în intestinele tale, unde descompun molecule complexe din alimente în tipuri simple de zaharuri pe care le pot utiliza celulele tale. Ar fi imposibil să trăim fără enzime.
Leslie Orgel și Frances Crick începeau să suspecteze ceva. Dacă ARN se poate plia ca o proteină, poate să formeze enzime? Dacă acest lucru ar fi adevărat, atunci ARN-ul ar putea fi o moleculă vie - originală și universală, care să stocheze informații, așa cum face ADN-ul acum și să catalizeze reacțiile, așa cum fac unele proteine.
A fost o idee grozavă, dar în zece ani nu a obținut nicio dovadă.
Video promotional:
Thomas Cech, 2007
Thomas Cech s-a născut și a crescut în Iowa. De mic, era fascinat de roci și minerale. Și deja la liceul superior, s-a uitat la universitatea locală și a bătut la ușile geologilor cu o cerere de a arăta modele de structuri minerale.
Cu toate acestea, el a devenit în cele din urmă biochimist și s-a concentrat pe ARN.
La începutul anilor 1980, Cech și colegii de la Universitatea din Colorado de la Boulder au studiat organismul unicelular Tetrahymena thermophila. O parte din mașinile sale celulare includ catenele ARN. Cech a descoperit că un singur segment de ARN a fost cumva separat de restul, ca și cum ar fi fost tăiat cu foarfeca.
Când oamenii de știință au eliminat toate enzimele și alte molecule care ar putea acționa ca foarfece moleculare, ARN-ul a continuat să fie secretat. Așa că au găsit prima enzimă ARN: o bucată scurtă de ARN care se poate tăia din catena lungă din care face parte.
Cech a publicat rezultatele muncii sale în 1982. În anul următor, un alt grup de oameni de știință a descoperit o a doua enzimă ARN, „ribozimă” (scurt pentru „acid ribonucleic” și „enzimă”, aka enzimă). Descoperirea a două enzime ARN una după cealaltă a indicat că trebuie să existe multe altele. Și astfel ideea de a începe viața cu ARN a început să arate solid.
Cu toate acestea, numele acestei idei a fost dat de Walter Gilbert de la Universitatea Harvard din Cambridge, Massachusetts. Ca un fizician cu o fascinație pentru biologia moleculară, Gilbert a devenit, de asemenea, unul dintre primii susținători ai secvențierii genomului uman.
În 1986, Gilbert a scris în Nature că viața a început în „lumea ARN”.
Prima etapă a evoluției, a argumentat Gilbert, a constat în „molecule de ARN care efectuează activitatea catalitică necesară pentru a se asambla într-un bulion de nucleotide”. Copiind și lipind diferite biți de ARN împreună, moleculele de ARN ar putea crea secvențe și mai utile. În cele din urmă, au găsit o modalitate de a crea proteine și enzime proteice care s-au dovedit atât de utile încât au înlocuit în mare parte versiunile ARN și au dat naștere vieții pe care o avem.
RNA World este un mod elegant de a reconstrui viața complexă de la zero. În loc să se bazeze pe formarea simultană a zeci de molecule biologice dintr-o supă primordială, o moleculă „pentru toți” ar putea face treaba.
În 2000, ipoteza lumii ARN a primit o bucată colosală de dovezi de susținere.
Ribozomul face proteine
Thomas Steitz a petrecut 30 de ani studiind structura moleculelor din celulele vii. În anii 90, s-a dedicat celei mai serioase sarcini a sale: să-și dea seama de structura ribozomului.
Există un ribozom în fiecare celulă vie. Această moleculă uriașă citește instrucțiunile din ARN și aranjează aminoacizii pentru a face proteine. Ribozomii din celulele tale au construit cea mai mare parte a corpului tău.
Se cunoaște că ribozomul conține ARN. Dar în 2000, echipa lui Steitz a produs o imagine detaliată a structurii ribozomilor, care a arătat că ARN-ul este nucleul catalitic al ribozomului.
Acest lucru a fost important, deoarece ribozomul este fundamental important pentru viață și foarte vechi în același timp. Faptul că această mașină esențială a fost construită pe ARN a făcut și mai plauzibilă ipoteza lumii ARN.
Susținătorii „lumii ARN” au triumfat, iar în 2009 Steitz a primit o parte din Premiul Nobel. Dar de atunci, oamenii de știință au început să se îndoiască. Încă de la început, ideea unei „lumi ARN” a avut două probleme. Ar putea ARN să îndeplinească cu adevărat toate funcțiile vieții de unul singur? S-ar fi putut forma pe Pământul timpuriu?
Au trecut 30 de ani de când Gilbert a pus bazele „lumii ARN” și încă nu am găsit dovezi solide că ARN poate face tot ceea ce teoria necesită. Este o mică moleculă iscusită, dar este posibil să nu poată face totul.
Un lucru era clar. Dacă viața începe cu o moleculă de ARN, ARN trebuia să poată face copii din ea însăși: trebuia să se auto-replică, să se auto-replică.
Dar nici unul dintre ARN-urile cunoscute nu se poate reproduce. La fel și ADN-ul. Au nevoie de un batalion de enzime și alte molecule pentru a crea o copie sau o bucată de ARN sau ADN.
Prin urmare, la sfârșitul anilor 1980, mai mulți oameni de știință au început o căutare foarte chixotică. Au decis să creeze un ARN auto-replicant.
Jack Shostak
Jack Shostak de la Harvard School of Medicine a fost unul dintre primii care au luat parte. În copilărie, a fost atât de fascinat de chimie, încât a început un laborator în subsolul casei sale. Negăsindu-și propria siguranță, a pornit chiar și o explozie, după care un tub de sticlă a fost blocat în tavan.
La începutul anilor 1980, Shostak a ajutat să arate cum genele se protejează de procesul de îmbătrânire. Acest studiu destul de timpuriu i-a adus în cele din urmă o bucată din Premiul Nobel. Cu toate acestea, foarte curând a admirat enzimele ARN ale lui Cech. „Am crezut că acest loc de muncă este grozav”, spune el. „În principiu, este complet posibil ca ARN să-și catalizeze propria reproducere.”
În 1988, Cech a descoperit o enzimă ARN care poate construi o moleculă scurtă de ARN cu 10 nucleotide. Shostak a decis să îmbunătățească descoperirea prin producerea de noi enzime ARN în laborator. Echipa sa a creat un set de secvențe aleatorii și a testat pentru a vedea dacă vreuna dintre ele avea abilități catalitice. Apoi au luat acele secvențe, le-au refăcut și le-au testat din nou.
După 10 runde de astfel de acțiuni, Shostak a produs o enzimă ARN care a accelerat reacția de șapte milioane de ori. El a arătat că enzimele ARN pot fi cu adevărat puternice. Dar enzima lor nu se putea copia singură, nici măcar ușor. Shostak era la un punct mort.
Poate că viața nu a început cu ARN
Următorul mare pas a fost făcut în 2001 de fostul student Shostak, David Bartel, de la Massachusetts Institute of Technology din Cambridge. Bartel a creat enzima R18 RNA care ar putea adăuga noi nucleotide pe catena ARN bazată pe un șablon existent. Cu alte cuvinte, el nu adăuga nucleotide aleatoare: el copiază secvența corect.
Deși nu era încă un auto-replicator, dar deja ceva similar. R18 a constat dintr-un lanț de 189 nucleotide și ar putea adăuga în mod fiabil 11 nucleotide în lanț: 6% din lungimea proprie. S-a sperat că câteva modificări îi vor permite să construiască un lanț de nucleotide 189 - la fel ca el însuși.
Cel mai bun lucru a fost făcut de Philip Holliger în 2011 de la Laboratorul de Biologie Moleculară din Cambridge. Echipa sa a creat un R18 modificat numit tC19Z care a copiat secvențe de până la 95 de nucleotide în lungime. Adică 48% din lungimea proprie: mai mult decât R18, dar departe de 100%.
O abordare alternativă a fost propusă de Gerald Joyce și Tracy Lincoln de la Scripps Institute din La Jolla, California. În 2009, au creat o enzimă ARN care se reproduce indirect. Enzima lor combină două bucăți scurte de ARN pentru a crea o a doua enzimă. Apoi combină celelalte două bucăți de ARN pentru a recrea enzima originală.
Având în vedere disponibilitatea materiilor prime, acest ciclu simplu poate fi continuat la nesfârșit. Dar enzimele au funcționat numai atunci când li s-au dat șiruri corecte de ARN, pe care trebuiau să le facă Joyce și Lincoln.
Pentru mulți oameni de știință care sunt sceptici față de „lumea ARN”, lipsa auto-replicării ARN este o problemă fatală cu această ipoteză. Aparent, ARN nu poate lua și începe viața.
Problema s-a agravat și prin eșecul chimistilor de a crea ARN de la zero. S-ar părea o moleculă simplă în comparație cu ADN-ul, dar este extrem de dificil să o facă.
Problema constă în zahărul și baza care alcătuiesc fiecare nucleotid. Puteți face fiecare dintre ele separat, dar refuză cu încăpățânare să se implice. Până la începutul anilor 1990, această problemă devenise evidentă. Mulți biologi au bănuit că ipoteza „lumii ARN”, în ciuda întregii sale atractivități, este posibil să nu fie complet corectă.
În schimb, s-ar putea să fi existat un alt tip de moleculă pe Pământul timpuriu: ceva mai simplu decât ARN, care ar putea de fapt să se ridice din supa primordială și să înceapă să se reproducă. Mai întâi ar putea exista această moleculă, care apoi a dus la ARN, ADN și așa mai departe.
ADN-ul s-ar fi putut forma cu greu pe Pământul timpuriu
În 1991, Peter Nielsen de la Universitatea Copenhaga din Danemarca a venit cu un candidat pentru replicatori primari.
Era în esență o versiune puternic modificată a ADN-ului. Nielsen a păstrat aceleași baze - A, T, C și G - găsite în ADN - dar au făcut coloana vertebrală din molecule numite poliamide, mai degrabă decât din zaharuri, care se găsesc și în ADN. El a numit noua moleculă acid nucleic poliamidă, sau PNA. Într-un mod de neînțeles, de atunci a devenit cunoscut sub numele de acid nucleic peptidic.
PNA nu a fost niciodată găsit în natură. Dar se comportă aproape ca ADN-ul. Catenul de PNA poate lua chiar locul unuia dintre catenele moleculei de ADN, iar bazele sunt împerecheate ca de obicei. Mai mult decât atât, PNA se poate răsuci într-o dublă helix, cum ar fi ADN-ul.
Stanley Miller era intrigat. Profund sceptic față de lumea ARN, a bănuit că PNA a fost un candidat mult mai probabil pentru primul material genetic.
În 2000, a produs câteva dovezi solide. Până atunci, împlinise deja 70 de ani și suferise mai multe lovituri care îl puteau trimite la o casă de îngrijire, dar nu a renunțat. El și-a repetat experimentul clasic, despre care am discutat în primul capitol, de această dată folosind metan, azot, amoniac și apă - și a obținut o bază de poliamidă PNA.
Acest lucru a sugerat că PNA, spre deosebire de ARN, s-ar fi putut forma pe Pământul timpuriu.
Trece molecula de acid nucleic
Alți chimiști au creat propriii acizi nucleici alternativi.
În 2000, Albert Eschenmoser a făcut din acidul nucleic (TNK). Este același ADN, dar cu un zahăr diferit la bază. Lanțurile TNC pot forma o dublă helix, iar informațiile sunt copiate în ambele direcții între ARN și TNK.
Mai mult, TNC-urile se pot plia în forme complexe și se pot lega chiar și de proteine. Acest lucru sugerează că TNK poate acționa ca o enzimă, cum ar fi ARN.
În 2005, Eric Megges a realizat un acid nucleic glicolic care poate forma structuri elicoidale.
Fiecare dintre acești acizi nucleici alternativi are proprii susținători. Însă în natură nu se găsesc urme ale acestora, așa că dacă prima viață le-a folosit cu adevărat, la un moment dat a trebuit să le abandoneze complet în favoarea ARN și ADN-ului. Acest lucru poate fi adevărat, dar nu există dovezi.
Drept urmare, până la mijlocul anilor 2000, susținătorii lumii ARN s-au trezit într-un moment în care.
Pe de o parte, enzimele ARN au existat și au inclus una dintre cele mai importante părți ale ingineriei biologice, ribozomul. Bun.
Dar ARN autoreplicant nu a fost găsit și nimeni nu a putut înțelege cum s-a format ARN în supa primordială. Acizii nucleici alternativi ar putea rezolva ultima problemă, dar nu există dovezi că există în natură. Nu prea bine.
Concluzia evidentă a fost că „lumea ARN”, în ciuda atractivității sale, s-a dovedit a fi un mit.
Între timp, o teorie diferită a crescut treptat din anii '80. Susținătorii săi susțin că viața nu a început cu ARN, ADN sau alt material genetic. În schimb, a început cu un mecanism de valorificare a energiei.
Viața are nevoie de energie pentru a rămâne în viață
ILYA KHEL
- Prima parte: Cum se face o celulă -
- Partea a doua: O scindare în rândurile oamenilor de știință -
- Partea a patra: energia protonilor
- Partea a cincea: deci cum creezi o celulă? -
- Partea a șasea: Marea Unire -
